表1： 3种太阳能硅片切割方法的对比

       由表1可看出,由于不存在宏观机械切削力,与 内圆和多线切割相比,LSWEDM方法在硅片最小切割厚度及翘曲方面具有较大的优势。但目前的 WEDM对硅材料切割的相关研究均是针对较低电阻率(<0.18#cm)进行的,这种低电阻率的硅材料实际上并不能作为太阳能硅使用,并因单脉冲放电能量较大,硅片表面存在明显的热影响区与微裂纹,且切割效率不高,因此目前尚不具备与硅太阳能电池制造工艺兼容的条件。

 

　　2 太阳能硅电火花线切割简析 

　　作为光伏电池主要原料的太阳能硅片,电阻率通常在1~108#cm范围,此电阻率范围的半导体材料虽然具有一定的导电性,但它的电阻率要比金属材料高出3~4个数量级,且有其十分特殊的电性能,在放电加工过程中由于接触势垒、体电阻等不利因素的存在,钳制了放电回路的加工电流,因此不能直接采用普通电火花线切割加工的方法。本课题组为此进行了深入研究,首次提出了一系列高阻半导体材料电火花线切割的理论。

       2.1 P型硅放电切割的原理

       P型硅的极间放电切割原理如图4所示,利用正极性加工(工件接电源正极),两极之间加上直流脉冲电压;在正极进电端,采用金属与硅材料直接靠压紧进电,为提高回路电流,可以适当增大接触压力,或者在硅材料表面涂镀金属导电层,以提高进电金属面与硅材料的有效接触面积;在负极端,电极丝垂直纸面向左运动,与硅材料之间在伺服系统的控制下保持一定的放电间隙,维持正常放电;为限制电流过大烧毁电源或功率器件,需要在回路中串联限流电阻RL。

图4 正极性加工P型硅材料原理图 

       2.2 电路模型的建立 

       对于电加工电路而言,被加工材料通常可以看作是组成整个电路的一个元器件。例如导电性能良好的金属通常被认为没有电阻,它的电学特性只与放电端接触部分介质性质以及电源的负载特性有关。而对于半导体材料而言则存在很大差异,首先,半导体本身具有一定的电阻率,它的体电阻不能忽略,并且随着电极丝与材料的接触面积以及电极丝与进电位置的相对改变而变化,因此导致了现在大部分半导体材料尤其是高电阻率半导体材料(1~1008#cm)采用放电加工的方法加工效率特别低甚至不能加工;其次,半导体材料在与其它材料接触时,由于材料的功函数不同,当与其它材料发生接触时会形成不同接触势垒(肖特基势垒),产生很大的接触电阻,接触电阻通常具有很大的非线性,变化范围很大,加工时必须克服此接触势垒才能产生正常放电;第三,在对半导体材料进行放电加工时由于复合工作液的导电性,以及接触面接触势垒的存在,因此会在接触面形成电解和发热现象,产生不导电的钝化膜和氧化膜,使接触电阻陡然增加,阻碍电能的输入,使放电加工无法延续;上述问题均使得半导体的电加工产生了很大的的难度。   

根据P型太阳能硅的特殊导电特性,建立的电路模型如图5所示。

       1.电极丝 2.半导体硅材料 3.复合工作液 4.进电材料5.进电材料与硅的接触势垒 6.硅材料体电阻7.极间介质与硅材料接触势垒 8.极间放电维持电压9.进电间隙工作液电阻 10.放电极间工作液电阻 

图5 P型硅电加工电路原理图